前沿講座-核分子影像學(xué)導(dǎo)論

分子影像學(xué)導(dǎo)論

侯桂華

山東大學(xué)醫(yī)學(xué)院實(shí)驗(yàn)核醫(yī)學(xué)研究所

88382096

主要內(nèi)容：1概述2分子識(shí)別和靶分子3核分子探針4核探測儀器5分子影像學(xué)在臨床醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用6分子影像學(xué)在根底醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用7分子影像學(xué)在新藥研究中的應(yīng)用經(jīng)典的影像診斷(CT、MRI等)主要顯示的是一些分子改變的終效應(yīng),具有解剖學(xué)改變的疾病;而分子影像學(xué)通過發(fā)展新的工具、試劑及方法,探查疾病過程中細(xì)胞和分子水平的異常,在尚無解剖改變的疾病前檢出異常,為探索疾病的發(fā)生、發(fā)展和轉(zhuǎn)歸,評(píng)價(jià)藥物的療效,為分子水平疾病的治療開啟了一片嶄新的天地。影像醫(yī)學(xué)開展到現(xiàn)在逐漸形成了3個(gè)主要陣營:(1)經(jīng)典醫(yī)學(xué)影像學(xué):以X線、CT、MRI、超聲成像等為主,顯示人體解剖結(jié)構(gòu)和生理功能;(2)以介入放射學(xué)為主體的治療學(xué)陣營(3)分子影像學(xué):以MRI、PET、光學(xué)成像及小動(dòng)物成像設(shè)備等為主,可用于分子水平成像。"三者是緊密聯(lián)系的一個(gè)整體,相互印證,相互協(xié)作“以介入放射學(xué)為依托,使目的基因能更準(zhǔn)確到達(dá)靶位,通過分子成像設(shè)備又可直接顯示治療效果和基因表達(dá)。因此,分子影像學(xué)對(duì)影像醫(yī)學(xué)的開展有很大的推動(dòng)作用,使影像醫(yī)學(xué)從對(duì)傳統(tǒng)的解剖、生理功能的研究,深入到分子水平的成像,去探索疾病的分子水平的變化,將對(duì)新的醫(yī)療模式的形成和人類健康有著深遠(yuǎn)的影響。與經(jīng)典影像診斷學(xué)不同，分子影像學(xué)是著眼于探測構(gòu)成疾病根底的分子的異常，而不是對(duì)由這些分子改變所構(gòu)成的最終結(jié)果進(jìn)行成像。其突出特點(diǎn)是用影像的手段非侵入性地對(duì)活體內(nèi)的參與生理和病理過程的分子進(jìn)行定性或定量可視化觀察.分子影像學(xué)的研究目的在于:〔1〕在體內(nèi)直接觀察到疾病起因、發(fā)生、開展一系列的病理生理變化和特征，而不單單是疾病終末期的解剖改變。比方，通過對(duì)腫瘤發(fā)生過程中關(guān)鍵標(biāo)記〔Marker〕的分子影像學(xué)顯像，從而得知疾病開展過程、進(jìn)展階段。而在疾病的發(fā)生、形成階段進(jìn)行有效的干預(yù)，往往可以逆轉(zhuǎn)、阻止或延緩其發(fā)生?！?〕在治療上，在治療的極早期就可以反映出治療的療效。如應(yīng)用于化療的療效評(píng)價(jià)，不必在治療多個(gè)療程后復(fù)查腫瘤的大小變化〔這是非常不敏感的方法〕，只要反映治療藥物的作用靶點(diǎn)有沒有變化，藥物作用過程中一些關(guān)鍵的分子標(biāo)記〔Maker〕有沒有改變，即可推論這種治療有沒有產(chǎn)生效用。這種極其敏感的評(píng)價(jià)方法在治療療效評(píng)價(jià)中有著巨大應(yīng)用價(jià)值。〔3〕在藥物開發(fā)與臨床應(yīng)用方面，可以極大加快藥物的研制、開發(fā)、臨床前研究時(shí)間。目前治療腫瘤藥物臨床前療效分析是在實(shí)驗(yàn)動(dòng)物上進(jìn)行的，主要觀察移植瘤有沒有縮小，根據(jù)縮小的程度來比較不同藥物療效，從而篩選出最正確的藥物進(jìn)入臨床前研究。既往方法對(duì)藥物在體內(nèi)如何作用、抗癌作用具體細(xì)節(jié)一無所知，這種極為粗糙、不科學(xué)的研究方法，極大延緩了藥物開發(fā)。而采用分子影像學(xué)的研究方法，通過設(shè)計(jì)特異性探針，直接在體內(nèi)顯示藥物治療靶點(diǎn)的分子改變，通過建立高通量的影像學(xué)分析系統(tǒng)，可大大有助于藥物的篩選和開發(fā)〔4〕基因功能分析以及基因治療的研究方面:目前有關(guān)基因功能分析方法，都采用體外實(shí)驗(yàn)分析，而體外實(shí)驗(yàn)分析的結(jié)果可能與基因在體內(nèi)實(shí)際作用出現(xiàn)偏差。采用分子影像學(xué)的方法，基于基因功能及信號(hào)通道知識(shí)，通過設(shè)計(jì)一系列特異性探針，建立高通量的基因功能體內(nèi)分析系統(tǒng)，可望實(shí)時(shí)顯示該基因在體內(nèi)的作用過程。在基因治療方面，可在體內(nèi)觀察基因載體在體內(nèi)轉(zhuǎn)基因表達(dá)的有效性，如體內(nèi)觀察基因治療藥物有沒有到達(dá)治療部位、靶點(diǎn)組織和細(xì)胞;判斷體內(nèi)轉(zhuǎn)基因情況以及效率是否足夠產(chǎn)生臨床療效;轉(zhuǎn)基因后組織細(xì)胞分子學(xué)改變、以及發(fā)揮的治療作用機(jī)制，與體外研究是否一致，是否在體內(nèi)受到其它因素的干擾;體內(nèi)直接評(píng)價(jià)治療的療效要成功實(shí)現(xiàn)活體內(nèi)實(shí)時(shí)、特異性分子顯像，必須克服以下困難:〔1〕尋找特異性分子探針。這類分子探針可以是受體配體、特異性酶的底物等小分子，也可以是抗體、蛋白等大份子。它必須具備高親和力，與體內(nèi)細(xì)胞或組織的靶點(diǎn)進(jìn)行特異性結(jié)合，并且具備特殊的藥代動(dòng)力學(xué)特征，如在靶組織內(nèi)有效聚積，與靶結(jié)構(gòu)結(jié)合持續(xù)一段時(shí)間后，體內(nèi)能夠較完全的去除?！?〕這些特異性分子能夠克服各種生物屏障，如血管、細(xì)胞間隙、基底膜、血腦屏障等，最后能夠順利通過細(xì)胞膜、核膜等，與靶點(diǎn)進(jìn)行結(jié)合?！?〕放大體內(nèi)影像學(xué)信號(hào)，目的是獲得清晰的影像學(xué)圖像應(yīng)用于診斷。由于體內(nèi)靶組織或靶細(xì)胞的含量可能有限，分子探針與靶點(diǎn)結(jié)合后，獲取的影像學(xué)信號(hào)可能很弱，因此需要相當(dāng)水平的信號(hào)放大系統(tǒng)。分子影像學(xué)成像種類1光學(xué)成像憑借軟組織對(duì)光波的不同吸收與散射識(shí)別不同成分，并且可利用天然色團(tuán)所特有的吸收獲得功能信息。光學(xué)成像方法主要有彌散光學(xué)成像、多光子成像、活體顯微成像、近紅外線熒光成像及外表共聚焦成像等2超聲成像超聲分子成像主要是指將微泡造影劑通過血管進(jìn)入靶組織，觀察靶區(qū)在組織水平、細(xì)胞及亞細(xì)胞水平的成像，借以反映病變區(qū)組織在分子根底方面的變化。利用超聲微泡造影劑介導(dǎo)可發(fā)現(xiàn)疾病早期在細(xì)胞和分子水平的變化，有利于更早、更準(zhǔn)確地診斷疾病。在臨床研究中，主要應(yīng)用核分子探針對(duì)腫瘤和神經(jīng)系統(tǒng)等疾病進(jìn)行分子水平的診斷和研究。在根底研究中應(yīng)用更為廣泛，如評(píng)價(jià)內(nèi)源性基因或整入基因的轉(zhuǎn)錄與翻譯；評(píng)價(jià)底物的合成、代謝與轉(zhuǎn)運(yùn)；評(píng)價(jià)細(xì)胞間配體受體反響等。

二、分子識(shí)別理論和靶分子

靶分子和核分子探針相互作用的根底是分子識(shí)別理論。分子識(shí)別是一種普遍的生物學(xué)現(xiàn)象，是指分子與分子之間選擇性的相互結(jié)合和作用的過程。它幾乎發(fā)生在細(xì)胞間和細(xì)胞內(nèi)每一步生化過程。分子識(shí)別包括蛋白質(zhì)與蛋白質(zhì)、肽與肽、核酸與核酸等。１、受體與配體的分子識(shí)別

人體內(nèi)很多生理機(jī)制都是受體與配體的識(shí)別和相互作用的過程。很多疾病的發(fā)生和開展也往往反映在與配體結(jié)合的受體數(shù)量、密度和親和力的變化。了解了受體的結(jié)構(gòu)及與配體相互作用的機(jī)制后，我們就可以利用放射性核素標(biāo)記配體〔核分子探針〕，在體內(nèi)直接探測受體〔靶分子〕在生理和病理狀態(tài)下質(zhì)與量的變化。圖

乙酰膽堿受體結(jié)構(gòu)模型

圖G蛋白耦聯(lián)型受體為7次跨膜蛋白

受體主要的生物學(xué)特性有：

〔１〕特異性：受體與配體的結(jié)合是專一的。

〔２〕親合性：即受體與配體的結(jié)合能力，一般用解離常數(shù)〔Ｋｄ〕表示。Ｋｄ是指配體占據(jù)半數(shù)受體所需配體的濃度。Ｋｄ值越小說明親和力越高。

〔３〕飽和性：受體結(jié)合能力是有限的，一個(gè)細(xì)胞所含的受體數(shù)一般在１０３～１０５。

〔４〕可逆性：受體與配體的結(jié)合為非共價(jià)鍵結(jié)合，結(jié)合快，解離也快。

２、抗原與抗體的分子識(shí)別

利用放射性核素標(biāo)記抗體分子〔核分子探針〕，利用高靈敏性的核探測儀在體外直接探測體內(nèi)抗原分子〔靶分子〕分布的狀況。為疾病的診斷和治療提供早期的、可靠的、活體的影像學(xué)資料

由于抗體的分子量比較大，分子穿透力小，不易到達(dá)病變部位。另外，異種抗體的免疫原性較強(qiáng)，易產(chǎn)生ＨＡＭＡ效應(yīng)。所以抗體的小型化和制備人源抗體是本領(lǐng)域的兩大核心課題。３、酶與底物的分子識(shí)別

酶是另一類具有分子識(shí)別功能的蛋白質(zhì)，它與底物的作用具有專一性。底物分子只能結(jié)合在酶活性中心的特異的結(jié)合部位才能發(fā)生作用。

４、特異蛋白之間的分子識(shí)別

體內(nèi)某些蛋白質(zhì)與蛋白質(zhì)之間有特定的結(jié)合能力。例如甲狀腺素與甲狀腺結(jié)合球蛋白的結(jié)合。生物素和親和素的特異結(jié)合等等，也都是遵循分子識(shí)別機(jī)理的生物學(xué)行為。

５、核苷酸鏈之間的分子識(shí)別

單鏈反義核糖核酸〔ＲＮＡ〕與細(xì)胞質(zhì)內(nèi)的ｍＲＮＡ，反義脫氧核糖核酸〔ＤＮＡ〕與靶基因ＤＮＡ鏈的互補(bǔ)鏈的結(jié)合等。

６、蛋白質(zhì)與核酸分子的分子識(shí)別

某些激素分子可進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)，它可與細(xì)胞核內(nèi)的受體結(jié)合，形成激素－受體復(fù)合物，進(jìn)而導(dǎo)致受體構(gòu)象變化而形成復(fù)合物二聚體。復(fù)合物二聚體通過特異的ＤＮＡ序列－激素反響元件識(shí)別、結(jié)合基因調(diào)控序列，最終到達(dá)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)錄的目的三、核分子探針

核分子探針是決定核分子影像成功的關(guān)鍵。它由放射性核素和配基〔被標(biāo)記的特定化合物〕兩個(gè)局部組成。核分子探針的品質(zhì)決定于配基、放射性核素和放射性標(biāo)記過程。１、配基Ligand核分子探針的配基可以是化學(xué)合成分子或生物分子，但它們都必須具有活體生物學(xué)的兼容性，以平安地進(jìn)入活體內(nèi)。而且能以分子的形式參與活體的生理過程、病理過程或生化反響。核分子探針的含量非常少，核分子探針和靶分子的相互作用必須是高度特異的在放射性標(biāo)記的配體方面，除了各種新的化學(xué)合成物外，生物活性物質(zhì)，特別是基因重組的生物活性物質(zhì)更多地出現(xiàn)。小分子的配體似乎更引人注目，用于受體顯像的受體沖動(dòng)劑和拮抗劑、用于腫瘤顯像的小分子多肽、用于ｍＲＮＡ顯像的反義寡核苷酸等。２、放射性核素

正電子顯像使用最多的是18F-FDG。在單光子顯像使用最多的是９９ｍＴｃ標(biāo)記的各類化合物。加速器生產(chǎn)的核素開始進(jìn)入根底醫(yī)學(xué)和臨床醫(yī)學(xué)研究。18F、123I、111In、11C、13N等核素將被更多的應(yīng)用。新的核素發(fā)生器如188W－188Re等也已在臨床嶄露頭角。

３、放射性標(biāo)記過程

放射性核素的標(biāo)記方法，一般有化學(xué)合成法、生物合成法和交換法。在標(biāo)記過程中，重要的是提高標(biāo)記率而又能縮短標(biāo)記時(shí)間、簡化標(biāo)記步驟。既要牢固地使放射性核素和配體結(jié)合，又要不影響配體固有功能基團(tuán)和生物學(xué)活性。更為重要的是，核分子探針在體內(nèi)要具有穩(wěn)定性和理想的動(dòng)力學(xué)過程。

〔２〕抗體分子探針

設(shè)計(jì)腫瘤相關(guān)抗原的抗體分子，進(jìn)一步對(duì)腫瘤進(jìn)行深入的研究。在臨床的鑒別診斷和治療中其價(jià)值更大。國外已有幾個(gè)放射免疫顯像劑被批準(zhǔn)上市?！玻场晨贵w片段探針、多肽探針、反義寡核苷酸探針

大分子探針顯像時(shí)血本底高，血內(nèi)滯留時(shí)間長，靶器官的濃聚并不理想，機(jī)體的免疫反響性等問題，嚴(yán)重影響了分子影像的質(zhì)量，所以小分子探針的研究尤為重要。放射性核素標(biāo)記的單克隆抗體片段物、人鼠嵌合抗體、基因重組的生物活性物質(zhì)、小分子的生物多肽、反義寡核苷酸等都已進(jìn)入小分子探針領(lǐng)域。EmissionComputedTomography

〔ECT,發(fā)射型計(jì)算機(jī)斷層〕Tomographyistheprocessofproducingapictureofasectionorslicethroughanobject.Inmedicalimagingtomographyisperformedeitherbytransmittingxraysthroughanobject(asintransmissioncomputedtomography,TCTorCT),bymeasuringprotondensity(MRI),orbytomographicallydeterminingthedistributionofradioactivityinapatient(ECT〕.1、SPECT

〔單光子發(fā)射型計(jì)算機(jī)斷層〕SPECT：SinglePhotonEmissionComputedTomography.Radiopharmaceuticalsemitasinglephoton.witharotatinggammacamera(withsingledetectorormulti-detector)mountedonaspecialgantrythatallows360-degreerotationaroundthepatient.Resolution

，Sensitivity

SPECT２、PET〔正電子發(fā)射型計(jì)算機(jī)斷層〕PET：PositronEmissionTomography.Positronemittingradionuclides:Electroniccollimation：SensitivityAccurateAttenuationCorrection.Resolution(about4mm〕.Agreaterquantitativeaccuracyandprecision.PET/CT

ＰＥＴ是目前核分子影像學(xué)最先進(jìn)的核顯像設(shè)備。ＰＥＴ的放射性探測效率、空間分辨率、探測靈敏度、均勻度、比照度和重復(fù)性等各項(xiàng)儀器指標(biāo)都明顯優(yōu)于ＳＰＥＣＴ，可定量地得到體內(nèi)生化代謝和功能變化的核分子影像圖。高能正電子成像實(shí)際上是正負(fù)電子對(duì)湮滅輻射時(shí)，產(chǎn)生了一對(duì)方向相反，能量相同〔511keV〕的γ光子。PET在體表探測體內(nèi)γ光子的強(qiáng)度，并通過計(jì)算機(jī)圖象處理而成像。PET常用的晶體為鍺酸鉍〔BGO〕，為了提高探測效率，目前采用的新晶體還有镥酸硅〔LSO〕及釔酸硅〔YSO〕等。另有報(bào)導(dǎo)，新的半導(dǎo)體探測器也將用于PET成像，雪崩靈敏二極管和位置靈敏光電倍增管等也都被嘗試用來提高PET的探測效率。４、融合探測儀

融合探測儀的創(chuàng)新是醫(yī)學(xué)工程學(xué)的又一個(gè)研究重點(diǎn)，能將探測對(duì)象的解剖圖像、功能圖像和代謝圖像融合在一起，為臨床醫(yī)學(xué)提供了一個(gè)更為實(shí)用的新領(lǐng)域。例如ＳＰＥＣＴ與ＣＴ、ＰＥＴ與ＣＴ、ＰＥＴ與ＭＲＩ的融合等。其中在腫瘤顯像和心血管顯像等方面已經(jīng)取得了很好的效果。甚至才問世不久MicroPET也已經(jīng)有了和MicroCT融合的新儀器。一些更新的融合探測儀還會(huì)在未來的實(shí)踐中出現(xiàn)，使整個(gè)核醫(yī)學(xué)工程學(xué)的進(jìn)展顯得更為引入注目。五、核分子影像學(xué)在臨床醫(yī)學(xué)的應(yīng)用研究

核分子影像學(xué)在臨床醫(yī)學(xué)的應(yīng)用研究十分廣泛，這里僅就近年的研究工作來展望核分子影像的前景。

由于核醫(yī)學(xué)顯像儀器測量效率的分辨率低于ＣＴ和ＭＲＩ中樞神經(jīng)系統(tǒng)解剖顯像，因此在神經(jīng)系統(tǒng)顯像的形態(tài)影像學(xué)方面ＣＴ和ＭＲＩ占有明顯的優(yōu)勢。但是自從腦功能灌注顯像的問世，核醫(yī)學(xué)在腦部的功能顯像以及在神經(jīng)系統(tǒng)的功能性疾病轉(zhuǎn)歸的診斷方面表達(dá)了它的優(yōu)越性，并引起了臨床醫(yī)生的注意。國家一類新藥９９ｍＴｃ－ＥＣＤ腦血流灌注血象劑，在癲癇、腦血流功能疾病的診斷有突出的應(yīng)用。

5-HT1Areceptorantagonist,WAY100635.[Carbonyl-C11]WAY-100635intheHumanBrain

ESTROGENRECEPTORIMAGING–imagesofthebreastfrom2patientswithbreastcancer.ThetoppatienthasasmallER+tumor(thinarrow)seenwithbothFDGandFES.ThebottompatienthasalargeER-tumor(thickarrow)well-seenonFDGbutabsentofFES,indicatingalackofestrogenreceptors.CEAScanCTScan六、核分子影像學(xué)在根底醫(yī)學(xué)的應(yīng)用研究

核分子影像學(xué)在根底醫(yī)學(xué)的應(yīng)用研究十分廣泛，特別是隨著人類基因組學(xué)和蛋白質(zhì)組學(xué)的開展更是拓寬了核分子影像學(xué)在根底醫(yī)學(xué)的應(yīng)用研究范圍。１、受體顯像

受體是細(xì)胞膜或細(xì)胞內(nèi)的一類大分子，與受體特異結(jié)合的分子稱配體。受體研究涉及到細(xì)胞之間、細(xì)胞與其他分子之間的識(shí)別、信息傳導(dǎo)及細(xì)胞生理或病理反響等根本的生命現(xiàn)象?，F(xiàn)代生物學(xué)和醫(yī)學(xué)十分注目的這個(gè)研究領(lǐng)域，目前已開展成為一門新興的受體學(xué)。

２、基因顯像

基因顯像是利用放射性核素標(biāo)記的基質(zhì)〔探針〕，在ＤＮＡ、ｍＲＮＡ或蛋白質(zhì)水平上無創(chuàng)傷性地顯示基因及其表達(dá)產(chǎn)物的功能動(dòng)力學(xué)變化，來進(jìn)行醫(yī)學(xué)研究?；蝻@像有多種的方法，例如報(bào)告基因顯像。由于ＰＥＴ報(bào)告基因顯像不需要為所研究的每一種新基因開發(fā)特異蛋白的探針，因而成為一種通用的顯像方法。Figure4Principleofimagingwithareportergene.Areportergenedrivenbyapromoterofchoicecanbedeliveredintotargetcells.Ifthereportergeneisexpressed,theproteinmade(shownasspheres)canspecificallytrapareporterprobe.Inthosecellsinwhichthereporterproteinisnotpresent,thereporterprobecanenterthecell,effluxbackout,andbeclearedfromtheblood.Thereportergenecanencodeforaintracellularproteinorareceptorthatcanbeintracellular,onthecellsurface,orboth.ThisapproachisageneralapproachforimaginggeneexpressionbecausemanydifferentprocessescanbestudiedbyusingdifferentpromotersFigure5Micro-positronemissiontomography(microPET)imagingoftheherpessimplexvirustype1thymidinekinase(HSV1-tk)reportergeneinatransgenicmouse.Atransgenicmousewasdevelopedinwhichineverycellofthemouse,theHSV1-tkreportergeneispresent.However,becausethisreportergeneisdrivenbythealbuminpromoter,onlycellsinwhichalbuminisexpressed(predominantlyhepatocytesintheliver)willleadtoexpressionofHSV1-tk.ThemicroPETtomographicimage(coronalview)shownwasobtained~60minaftertheinjectionoffluorine-18labeledpenciclovir(FHBG)(aprobespecificfortheHSV1-tkreportergeneproduct).３、反義顯像

反義顯像是根據(jù)反義互補(bǔ)的原理，制備與靶ＤＮＡ或ＲＮＡ特定序列互補(bǔ)的寡核苷酸鏈〔反義寡核苷酸，ＡＳＯＮ〕通過體內(nèi)雜交，到達(dá)封閉或顯示靶序列的目的。反義顯像時(shí)，先可利用放射性核素標(biāo)記某一特定序列的反義寡核苷酸〔ＲＡＳＯＮ〕作為ＰＥＴ反義分子探針，在體內(nèi)與相適應(yīng)的ｍＲＮＡ片段可到達(dá)特異的結(jié)合。通過ＰＥＴ顯像以反映目標(biāo)ＤＮＡ的轉(zhuǎn)錄情況。Figure3Imagingwitharadiolabeledantisenseoligodeoxynucleotide(RASON).AsmallRASONmoleculecanbesynthesizedeasilytotargetaparticularportionofamRNAspecifically.Ifthisprobecansuccessfullyentercells,itcanbeusedtodetectlevelsoftargetmRNAthroughimaging.NonspecificinteractionoftheRASONwithothermRNAandproteinsisalsopossible.InthosecellsinwhichthetargetmRNAisnotexpressed,theRASONwouldeffluxbackoutofthecell.ThisapproachisinearlystagesofdevelopmentTable1Positron-emittingradionuclidesofinterest

forbiomedicalstudiesRadionuclideHalf-lifeProduction11C

13N

15O

18F

62Cu

64Cu

68Ga

76Br

124I

20.3min

9.97min

122sec

109.8min

9.74min

12.7hr

68.1min

16.1hr

4.17days

Cyclotron

Cyclotron

Cyclotron

Cyclotron

62Zn/62Cugenerator

Reactor,cyclotron

68Ge/68Gagenerator

Reactor,cyclotron

Reactor,cyclotron

Inthepastseveralyearsconsiderableefforthasgoneintodevelopingwaystovisualizeamyloiddepositioninthebrainsoflivingpeople.Recently,investigatorsattheUniversityofPittsbu